陶瓷坩埚的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种坩埚，具体而言涉及一种陶瓷坩埚。
【背景技术】
[0002] 核反应堆在严重事故工况下，堆芯熔融物（堆芯熔熔融物的主要成分为含铀、锆的 氧化物混合物）移位至压力容器下封头，并重新混合重组，形成稳定熔池。如能对堆芯熔融 物熔池进行有效的冷却，将其滞留在压力容器内，就可避免压力容器失效，从而为限制核反 应堆裂变产物向安全壳内大规模释放提供了实体屏障，同时防止了多数可能威胁安全壳完 整性的核反应堆堆外现象，进而保证安全壳的完整性。堆芯熔融物熔池直接接触压力容器 下封头，压力容器下封头传热热流大小直接关系到熔融物堆内滞留过程的有效性，所以需 要对堆芯熔融物熔池的传热现象进行研究。
[0003] 基于上述原因，需要设计一种陶瓷坩埚，其能够实现具有内热源等壁温的自然对 流传热的半球形熔池，以对堆芯熔融物氧化物熔池(主要成分为含铀、锆的氧化物混合物） 的传热现象进行研究。为此陶瓷坩埚需要满足：1)耐高温（例如大约1000度）；2)熔池呈 半球形；3)可准确测量出半球形熔池在半球形边界上的不同极角处的热流密度值；4)具有 比较均匀的坩埚内热源；5)熔池被壳层包裹，壳层的主要组分为熔池组分；以及6)熔池具 有等温边界，这是因为壳层组分(熔池组分）的凝固温度为恒定温度。半球形熔池边界上的 热流密度分布曲线是研究熔池传热的关键参数，是准确评估堆芯熔融物在压力容器内滞留 过程的重要因素，因而需要准确测量出半球形熔池在半球形边界上的不同极角处的热流密 度值。
[0004] 冷坩埚感应加热技术可用于熔化堆芯熔熔融物模拟物。授权公告号CN 201983623 U (授权公告日2011. 09. 21)公开了一种具有高悬浮能力的感应熔炼技术的冷坩埚。该冷 坩埚采用分瓣结构，为增强悬浮能力坩埚底部区域采用收缩的结构，可以采取球面形状。该 冷坩埚在应用于研究芯熔融物熔池传热现象中会产生以下问题：1.未指明可以熔化含铀 锆氧化物混合物；2.无法测量出熔池在半球形边界上不同极角处的热流密度；3.坩埚内壁 面没有特殊处理，会造成坩埚底部区域的壳层厚度过厚，使熔池形状偏离半球形，而形成半 椭球形状。不能解决芯熔融物熔池技术特征1、特征2和特征3。
[0005] 申请公布号CN 102072649 A (申请公布日2011. 05. 25)公开了一种冷坩埚感应加 热悬浮炉。该悬浮炉的冷坩埚上部为内锥小于3°的圆柱体，底部为半球体。该冷坩埚在应 用于研究芯熔融物熔池传热现象中会产生以下问题：1.未指明可以熔化含铀锆氧化物混 合物；2.无法测量出熔池在半球形边界上不同极角处的热流密度；3.因为产生悬浮现象而 在底部区域不形成壳层；4.悬浮后熔池的形状近球形，而非半球形。不满能解决芯熔融物 熔池技术特征1、特征2、特征3和特征5。
[0006] 文章 《Application of cold crucible for melting of U02/Zr02 mixture》（期刊 《Materials Science and Engineering》A357 (2003) 297-303)提及了一种冷i甘祸结构，用于 熔化U02/Zr02的混合物。该冷坩埚在应用于研究堆芯熔融物熔池传热现象中会产生以下问 题：1.无法测量出熔池在半球形边界上不同极角处的热流密度；2.坩埚为圆柱形状不能形 成半球形熔池。不满能解决芯熔融物熔池技术特征2和特征3。
[0007] 现有的冷坩埚结构通常无法解决高热流密度测量和半球形两个熔池技术特征。常 规测量热流密度使用热电偶测量温度的方式解决，但是热电偶在感应加热技术中无法使 用，因为熔池边界处于电磁场区域，热电偶无法正常工作。即便是铠装热电偶，由于熔池温 度高于金属铠材料的居里温度，使金属铠丧失保护性质，热电偶也无法准确采集到接触点 的温度，所以无法使用热电偶测量边界上的热流密度。如果使用冷却水的换热量间接测量 热流密度，在常规冷坩埚结构上会产生以下问题：常规冷坩埚的冷却流道为坚直方向，而 熔池半球形边界的不同极角处在不同水平高度上，坚直冷却方式混淆了各极角的冷却换热 量，无法得到不同极角位置上的换热量。如若只把冷却水流道改成水平环绕式，由于冷却流 道间缝隙方向不再是平行轴向方式，改成水平方向，即不再平行于磁场方向而变成垂直方 向，同时常规冷坩埚为金属材料，造成电磁场无法通过冷却流道的缝隙进入熔池区域，即水 平缝隙的金属坩埚对电磁场起到了隔绝作用，也就无法通过电磁场在熔池内部产生涡流， 不满足熔池的内热源技术特征。所以如若使用冷却水的换热量测量半球形边界上的热流密 度值，不仅需要改变冷却流道的布置方向，还需要改变坩埚材料，使电磁场可以透过坩埚壁 进入坩埚内部，进而在熔池内形成涡流，通过涡流产生的焦耳热模拟熔池的内热源技术特 征。
[0008] 为形成半球形熔池，一般将坩埚做成半球形形状，但是却忽略了半球形边界上壳 层厚度对熔池形状的影响。由于壳层的导热系数低，同时半球形边界上底部区域的热流密 度相对高极角位置处的热流密度小一个数量级，如果半球形坩埚采用一种材料制作，就会 出现半球形底部位置壳层厚度很厚，而高极角的位置壳层较薄，进而使熔池形状偏离半球 形，形成近似半椭球的形状。
[0009] 因此，期望提供一种新型的坩埚，其能够形成具有内热源等壁温的自然对流传热 的半球形熔池。
【发明内容】
[0010] 为解决壳层厚度分布不均匀对熔池形状的影响，需要使得半球形坩埚在第一极角 区域和第二极角区域的热阻不一致，进而形成均匀厚度的壳层，使熔池的形状与坩埚形状 相似，达到半球形。本发明的发明目的通过以下技术方案得以实现： 本发明的一个实施方式提供了一种陶瓷坩埚，用于容纳熔融物，熔融物形成熔池，陶瓷 坩埚包括坩埚内壁、坩埚外壁、用于连接坩埚内壁和坩埚外壁的坩埚顶壁以及设置在坩埚 外壁上的感应线圈，其中坩埚顶壁用于形成坩埚开口，感应线圈用于产生大致沿坚直方向 穿过坩埚内部熔池的磁场，用于对熔融物加热，其中热阻层设置在坩埚底部附近，大致均匀 厚度的壳层包裹熔融物。
[0011] 根据本发明的上述实施方式提供的陶瓷坩埚，其中多条独立冷却水流道设置在坩 埚内壁与坩埚外壁之间，相邻的冷却水流道之间通过间隔片间隔开，多个进水管和出水管 设置在坩埚外壁上，每个进水管经过相应的冷却水流道与相应的出水管连通，套管设置在 ?甘埚底部区域，套管包括进水管和出水管，进水管嵌套在出水管内。
[0012] 根据本发明的上述实施方式提供的陶瓷坩埚，其中壳层覆盖在热阻层上、覆盖在 除被热阻层覆盖的坩埚内壁的其余内壁部分上以及用于封闭坩埚开口。
[0013] 根据本发明的上述实施方式提供的陶瓷坩埚，其中陶瓷坩埚包括顶部区域和主体 区域，顶部区域的截面呈柱状，主体区域的截面呈半圆形，主体区域底部与套管连通，主体 区域包括相邻设置的第一极角区域和第二极角区域，第一极角区域由与通过陶瓷坩埚中心 的坚直方向的两侧分别成第一极角的第一位置半径和第二位置半径限定，第二极角区域由 与通过坩埚中心的水平方向分别成第二极角的第一位置半径和第二位置半径限定，其中在 通过坩埚中心的坚直方向的一侧第一极角与第二极角的和等于90度，第二极角区域的热 流密度大于第一极角区域的热流密度。
[0014] 根据本发明的上述实施方式提供的陶瓷坩埚，其中坩埚内壁、坩埚外壁以及坩埚 顶壁由具有第一导热系数的陶瓷材料制备，热阻层由具有第二导热系数的陶瓷材料制备， 第一导热系数大于第二导热系数。